限幅器和倍壓器

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除了削波器和鉗位器等波形整形電路外，二極體還用於構建其他電路，例如限幅器和電壓倍增器，我們將在本章中討論這些電路。二極體還有另一種重要的應用稱為整流器，我們將在後面討論。

限幅器

在瀏覽這些削波器和鉗位器時，我們經常會遇到另一個名稱，即限幅器電路。限幅器電路可以理解為限制輸出電壓不超過預定值的電路。

這或多或少是一個削波電路，它不允許訊號的指定值超過。實際上，削波可以被認為是限幅的極端情況。因此，限幅可以理解為一種平滑的削波。

下圖顯示了一些限幅器電路的示例：

可以透過其傳遞特性曲線來了解限幅器電路的效能。此類曲線的一個示例如下所示。

圖中指定了上下限，表示限幅器的特性。此類圖的輸出電壓可以理解為

$$V_{0}= L_{-},KV_{i},L_{+}$$

其中

$$L_{-}=V_{i}\leq \frac{L_{-}}{k}$$

$$KV_{i}=\frac{L_{-}}{k}< V_{i}<\frac{L_{+}}{k}$$

$$L_{+}=V_{i}\geq \frac{L_{+}}{K}$$

限幅器的型別

限幅器有幾種型別，例如

• 單極性限幅器 - 此電路單向限制訊號。

• 雙極性限幅器 - 此電路雙向限制訊號。

• 軟限幅器 - 在此電路中，即使輸入發生微小變化，輸出也可能發生變化。

• 硬限幅器 - 輸出不會輕易隨著輸入訊號的變化而變化。

• 單限幅器 - 此電路使用一個二極體進行限幅。

• 雙限幅器 - 此電路使用兩個二極體進行限幅。

電壓倍增器

在某些情況下，需要將電壓倍增。這可以透過使用二極體和電容器組成的簡單電路輕鬆實現。如果電壓加倍，則此類電路稱為電壓倍增器。這可以擴充套件為製作電壓三倍器或電壓四倍器等，以獲得高直流電壓。

為了更好地理解，讓我們考慮一個將電壓乘以 2 倍的電路。此電路可以稱為電壓倍增器。下圖顯示了電壓倍增器的電路圖。

施加的輸入電壓將是交流訊號，形式為正弦波，如下圖所示。

工作原理

可以透過分析輸入訊號的每個半週期來理解電壓倍增器電路。每個週期都會使二極體和電容器以不同的方式工作。讓我們試著理解這一點。

在第一個正半週期期間 - 當施加輸入訊號時，電容器$C_{1}$充電，二極體$D_{1}$正向偏置。而二極體$D_{2}$反向偏置，電容器$C_{2}$沒有充電。這使得輸出$V_{0}$為$V_{m}$

這可以從下圖中理解。

因此，在 0 到 $\pi$ 之間，產生的輸出電壓將為 $V_{max}$。電容器 $C_{1}$透過正向偏置的二極體 $D_{1}$充電以產生輸出，而 $C_{2}$ 不充電。此電壓出現在輸出端。

在負半週期期間 - 之後，當負半週期到來時，二極體 $D_{1}$反向偏置，二極體 $D_{2}$正向偏置。二極體 $D_{2}$透過電容器 $C_{2}$充電，該電容器在此過程中充電。然後電流流過電容器 $C_{1}$，後者放電。這可以從下圖中理解。

因此，在 $\pi$ 到 $2\pi$ 之間，電容器 $C_{2}$上的電壓將為 $V_{max}$。而完全充電的電容器 $C_{1}$傾向於放電。現在，來自兩個電容器的電壓一起出現在輸出端，即 $2V_{max}$。因此，此週期內的輸出電壓 $V_{0}$ 為 $2V_{max}$

在下一個正半週期期間 - 電容器 $C_{1}$從電源充電，二極體 $D_{1}$正向偏置。電容器 $C_{2}$保持電荷，因為它找不到放電的方式，並且二極體 $D_{2}$反向偏置。現在，此週期的輸出電壓 $V_{0}$獲得來自兩個電容器的電壓，這兩個電壓一起出現在輸出端，即 $2V_{max}$。

在下一個負半週期期間 - 下一個負半週期使電容器 $C_{1}$再次從其滿電荷放電，並使二極體 $D_{1}$反向偏置，而 $D_{2}$正向偏置，並使電容器 $C_{2}$進一步充電以維持其電壓。現在，此週期的輸出電壓 $V_{0}$獲得來自兩個電容器的電壓，這兩個電壓一起出現在輸出端，即 $2V_{max}$。

因此，輸出電壓 $V_{0}$始終保持為 $2V_{max}$，這使得該電路成為電壓倍增器。

電壓倍增器主要用於需要高直流電壓的地方。例如，陰極射線管和計算機顯示器。

分壓器

雖然二極體用於倍增電壓，但一組串聯電阻可以構成一個小網路以分壓。此類網路稱為分壓器網路。

分壓器是一種將較大電壓轉換為較小電壓的電路。這是透過使用串聯連線的電阻來實現的。輸出將是輸入的一部分。輸出電壓取決於它驅動的負載的電阻。

讓我們試著瞭解分壓器電路的工作原理。下圖是一個簡單分壓器網路的示例。

如果我們嘗試為輸出電壓推匯出一個表示式，

$$V_{i}=i\left ( R_{1}+R_{2} \right )$$

$$i=\frac{V-{i}}{\left ( R_{1}+R_{2} \right )}$$

$$V_{0}=i \:R_{2}\rightarrow \:i\:=\frac{V_{0}}{R_{2}}$$

比較兩者，

$$\frac{V_{0}}{R_{2}}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}$$

$$V_{0}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}R_{2}$$

這是獲得輸出電壓值的表示式。因此，輸出電壓根據網路中電阻的阻值進行劃分。新增更多電阻以獲得不同分數的不同輸出電壓。

讓我們舉一個例子來更好地理解分壓器。

示例

計算一個網路的輸出電壓，該網路的輸入電壓為 10v，有兩個串聯電阻 2kΩ 和 5kΩ。

輸出電壓 $V_{0}$ 由下式給出

$$V_{0}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}R_{2}$$

$$=\frac{10}{\left ( 2 + 5 \right )k\Omega }5k\Omega$$

$$=\frac{10}{7}\times 5=\frac{50}{7}$$

$$=7.142v$$

上述問題的輸出電壓 $V_0$ 為 7.14v